Objetivos. Temario. 1. Sistema de gestión de bases de datos
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- José Ramón Robles Plaza
- hace 7 años
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1 Objetivos conocer la arquitectura ANSI/SPARC para sistemas de gestión de bases de datos conocer el concepto de independencia de datos en bases de datos y los mecanismos asociados conocer los mecanismos y estrategias para el control de la integridad (calidad) y seguridad (privacidad) en bases de datos Escuela Universitaria de Informática Semestre 2B 1/03/01 Bases de datos 2 Temario 1. Sistema de gestión de bases de datos: componentes y funciones 2. Independencia de datos 3. Integridad 3.1. Concepto de transacción. Procesamiento de transacciones 3.2. Integridad semántica 3.3. Accesos concurrentes 3.4. Reconstrucción de la base de datos 4 Seguridad 4.1. Control de usuarios 4.2. Control de accesos permitidos 1. Sistema de gestión de bases de datos SGBD: Software que permite la creación y manipulación de bases de datos SGBD modelo de datos (modelo relacional) estructuras de datos y operadores asociados 1/03/01 Bases de datos 3 1/03/01 Bases de datos 4
2 1. Sistema de gestión de bases de datos 1. Sistema de gestión de bases de datos SGBD: Software que permite la creación y manipulación de bases de datos Programas de aplicación SGBD Objetivos de técnicas BD Funciones SGBD Componentes SGBD descripción unificada e independiente de los datos independencia de las aplicaciones definición de vistas parciales Definición de datos a varios niveles: esquema lógico esquema interno esquemas externos Lenguajes de definición de esquemas y traductores asociados Base de datos 1/03/01 Bases de datos 5 1/03/01 Bases de datos 6 1. Sistema de gestión de bases de datos 1. Sistema de gestión de bases de datos Objetivos de técnicas BD Funciones SGBD Componentes SGBD Objetivos de técnicas BD Funciones SGBD Componentes SGBD Gestión de la información Manipulación de los datos: consulta actualización Gestión y administración de la base de datos Lenguajes de manipulación y traductores asociados Herramientas para: reestructuración simulación Integridad y seguridad de los datos Control de: integridad semántica accesos concurrentes reconstrucción en caso de fallo seguridad (privacidad) Herramientas para: control integridad reconstrucción control seguridad estadísticas impresión 1/03/01 Bases de datos 7 1/03/01 Bases de datos 8
3 1.2. Esquema del acceso del SGBD a los datos 1.2. Esquema del acceso del SGBD a los datos Programas de aplicación SGBD Base de datos Esquema externo aplicación 1: CREATE VIEW Administrativo (dni, nombre, salario_men) AS SELECT dni, nombre, salario/14 FROM Empleado WHERE tipo= AD Esquema lógico: Empleado(dni, nombre, dirección, salario, tipo) CP: {dni} Esquema Interno: Fichero ordenado Empleado con índice primario sobre el campo dni en el camino h:/disco1/gerencia 1/03/01 Bases de datos 9 1/03/01 Bases de datos Esquema del acceso del SGBD a los datos 1.2. Esquema del acceso del SGBD a los datos Aplicación 1: accede a la información a tracés del esquema externo 1 Usuario 1 Aplicación 1 área de datos de la aplicación 1 SELECT nombre, salario_men FROM Administrativo WHERE dni = parámetro SGBD: control del acceso y resolución de la operación pedida Esquema externo 1 Esquema lógico Esquema interno Consulta sobre las estructuras de datos del esquema externo 1 2 Correspondencia entre esquemas 1 SGBD 7 registro datos área de trabajo del SGBD Solicita registro de fichero de datos 3 6 Administrador de ficheros del SO SO: Manipulación de los drivers de los dispositivos de memoria secundaria mandato bloque buffers de memoria 4 Solicita bloque de datos del disco flujo de datos operación BD 5 Operación de entrada-salida Administrador de E/S del SO 1/03/01 Bases de datos 11
4 2. Independencia de datos Propiedad que asegura que los programas de aplicación sean independientes de los cambios realizados en datos que no usan o en detalles de representación física de los datos a los que acceden 2. Independencia de datos Grupo de estudio ANSI/SPARC en 1977 propuesta de arquitectura para los SGBD que plantea la definición de la base de datos a tres niveles de abstracción: Nivel conceptual ΤEsquema conceptual descripción de la BD con independencia del SGBD Nivel interno ΤEsquema interno descripción de la BD en términos de su representación física Nivel externo ΤEsquema externo descripción de las vistas parciales de la BD que poseen los distintos usuarios 1/03/01 Bases de datos 13 1/03/01 Bases de datos Independencia de datos Debido a que no existe un modelo conceptual generalizado y accesible a los distintos tipos de SGBD, se prefiere distinguir cuatro niveles: Nivel conceptual ΤEsquema conceptual descripción organizativa de la BD Nivel lógico ΤEsquema lógico descripción de la BD en términos del modelo de datos del SGBD Nivel interno ΤEsquema interno descripción de la BD en términos de su representación física Nivel externo ΤEsquema externo descripción de las vistas parciales de la BD que poseen los distintos usuarios 2. Independencia de datos Un SGBD que soporte la arquitectura de niveles debe: permitir definir los distintos esquemas de la base de datos (excepción del esquema conceptual) establecer las correspondencias entre los esquemas asilar los esquemas: los cambios en un esquema no afecten a los esquemas de nivel superior y en última instancia a los programas de aplicación INDEPENDENCIA DE DATOS 1/03/01 Bases de datos 15 1/03/01 Bases de datos 16
5 2. Independencia de datos 2. Independencia de datos Correspondencia externo-lógico Esquema ext erno 1 Esquema ext erno 2 Esquema ext erno n Independencia lógica Independencia lógica entre el esquema lógico y los externos: Los esquemas externos y los programas de aplicación no deben de verse afectados por modificaciones del esquema lógico sobre datos que no usan Correspondencia lógico-físico Esquema lógico Esquema físico Independencia física Independencia física entre el esquema interno y el lógico: el esquema lógico no debe de verse afectado por cambios en el esquema interno referentes a la implementación de las estructuras de datos, modos de acceso, tamaños de páginas, caminos de acceso, etc. 1/03/01 Bases de datos Independencia de datos 2. Independencia de datos Esquema externo 1 Esquema lógico Esquema interno mandato (orden) 2.2 Usuario 1 Consulta sobre las estructuras de datos del esquema externo Correspondencia entre esquemas Aplicación 1 1 SGBD registro bloque datos área de datos de la aplicación 1 área de trabajo del SGBD Solicita registro de fichero de datos 3 6 buffers de memoria Administrador de ficheros del SO 4 Solicita bloque de datos del disco LIGADURA: Transformación del esquema externo en el esquema interno Ligadura lógica Ligadura física Cuando se produce la ligadura desaparece la independencia flujo de datos operación BD 5 Operación de entrada-salida Administrador de E/S del SO 1/03/01 Bases de datos 20
6 2. Independencia de datos 2. Independencia de datos Programa de aplicación: Ligadura en tiempo de compilación Transformación del esquema externo que usa el programas en términos del esquema interno Cualquier cambio del esquema lógico y/o interno requiere una recompilación Ligadura al ejecutar el programa No requiere ninguna acción sobre el programa Momento de la ligadura: en compilación o en la precompilación en el montaje al iniciarse la ejecución o en el momento de conectarse en cada acceso a la base de datos Mayor independencia cuanto más tarde se produzca la ligadura Mayor coste cuanto más tarde se produzca la ligadura 1/03/01 Bases de datos 21 1/03/01 Bases de datos Integridad 3. Integridad Objetivo de la tecnología de bases de datos Calidad de la información: los datos deben estar estructurados reflejando adecuadamente, los objetos, relaciones y las restricciones existentes en la parcela del mundo real que modela la base de datos Representación de los objetos, relaciones y restricciones en el esquema de la base de datos La información contenida en la base de datos debe preservar la definición del esquema Calidad de la información: SGBD debe asegurar que los datos se almacenan correctamente SGBD debe asegurar que las actualizaciones de los usuarios sobre la base de datos se ejecutan correctamente y que se hacen permanentes 1/03/01 Bases de datos 23 1/03/01 Bases de datos 24
7 3. Integridad 3. Integridad: accesos concurrente Herramientas del SGBD orientadas a la integridad para: Comprobar (frente a actualizaciones) las restricciones de integridad del esquema Controlar la ejecución correcta de las actualizaciones (entorno concurrente) Recuperar (reconstruir) la base de datos en caso de pérdidas o accidentes Cuentas Nro. Saldo Cuentas Nro. Saldo Tiempo P1 P2 t1 leer(123, saldo) t2 leer(123, saldo) t3 saldo saldo-100 t4 saldo saldo-200 t5 escribir(123, saldo) t6 escribir(123, saldo) 1/03/01 Bases de datos 25 1/03/01 Bases de datos Integridad: recuperación 3. Integridad: transacciones Cuentas Copia de seguridad ( ) : Actualización de cuentas transacción nº 51: fallo del sistema! La integridad de la base de datos peligra generalmente por las operaciones de acceso de las aplicaciones Las operaciones de acceso a una base de datos se organizan en transacciones Procedimiento de recuperación: sustituir el fichero de Cuentas por su copia de seguridad Efecto negativo: se han perdido las actualizaciones de 50 transacciones TRANSACCIÓN Secuencia de operaciones de acceso a la base de datos que constituyen una unidad lógica de ejecución 1/03/01 Bases de datos 27 1/03/01 Bases de datos 28
8 3. Integridad: transacciones Emp(dni, nombre, dir, dept) CP: {dni} CAj: {dept} Dep Dep(cod, nombre, ubicación) CP: {cod} R1: Dx (Dep(Dx) Τ Ex (Emp(Ex) Dx.cod = Ex.dept )) Inserción de un nuevo departamento: <d2, Personal, Planta 3ª > cuyo primer empleado es el de dni Integridad: transacciones 1) Inserción en Dep: <d2, Personal, Planta 3ª > ERROR: la restricción R1 no se cumple 2) Modificación de Emp en la tupla con dni 20 1) Modificación de Emp en la tupla con dni 20 ERROR: la clave ajena sobre dept en Emp no se cumple 2) Inserción en Dep: <d2, Personal, Planta 3ª > 1/03/01 Bases de datos 29 1/03/01 Bases de datos Integridad: transacciones 3. Integridad: transacciones Operaciones de las transacciones relevantes para el SGBD: leer(x): lectura o consulta del dato X de la base de datos sobre la variable del programa del mismo nombre escribir(x): actualización (inserción, borrado o modificación) del dato X de la base de datos usando la variable del mismo nombre del programa Operaciones de las transacciones relevantes para el SGBD: leer(x): 1. buscar la dirección del bloque que contiene el dato X 2. copiar el bloque a un buffer de memoria principal 3. copiar el dato X del buffer a la variable X del programa 1/03/01 Bases de datos 31 1/03/01 Bases de datos 32
9 3. Integridad: transacciones 3. Integridad: transacciones Operaciones de las transacciones relevantes para el SGBD: escribir(x): 1. buscar la dirección del bloque que contiene el dato X 2. copiar el bloque a un buffer de memoria principal 3. copiar el dato X de la variable del programa a la posición adecuada en el buffer 4. copiar el bloque actualizado del buffer al disco Operaciones de definición de las transacciones: principio: indica el comienzo de la transacción fin: indica que se han terminado todas las operaciones de la transacción. confirmación: indica el éxito de la transacción, permitiendo que el SGBD guarde los cambios efectuados en la base de datos anulación: indica el fracaso de la transacción debido a algún motivo. El SGBD deshace todos los posibles cambios efectuados por la transacción 1/03/01 Bases de datos 33 1/03/01 Bases de datos Integridad: transacciones 3. Integridad: transacciones Propiedades que deben cumplir las transacciones: principio activa fin anulación parcialmente confirmada fallada anulación confirmación confirmada terminada atomicidad: una transacción es una unidad atómica de ejecución (o se ejecutan todas sus operaciones o ninguna) consistencia: la transacción debe dar lugar a un estado de la base de datos consistente (se cumplen todas las restricciones de integridad) aislamiento: las modificaciones introducidas por una transacción no confirmada no son visibles al resto de transacciones persistencia: la confirmación de implica la grabación de los cambios introducidos en la base de datos, de forma que no se puedan perder por un fallo del sistema o de otras transacciones 1/03/01 Bases de datos 35 1/03/01 Bases de datos 36
10 3. Integridad: integridad semántica 3. Integridad: integridad semántica Restricción de integridad: Propiedad del mundo real que modela la base de datos Las restricciones se definen en el esquema lógico y el SGBD debe velar por su cumplimiento. Tipos de restricciones de integridad: estáticas: se deben cumplir en cada estado de la base de datos de transición: se deben cumplir en dos estados consecutivos La comprobación se realiza cuando la base de datos cambia (se ejecuta una operación de actualización) Las restricciones que no se incluyen en el esquema de la base de datos se han de mantener en los programas de aplicación 1/03/01 Bases de datos 37 1/03/01 Bases de datos Integridad: integridad semántica Restricciones en el SQL/92: estáticas: sobre dominios: de valor sobre atributos: valor no nulo, de rango, etc. sobre relaciones: clave primaria, unicidad y claves ajenas. sobre la base de datos: condiciones de búsqueda generales (no suelen mantenerlas los sistemas comerciales) cuando se comprueba: después de cada operación, al final acciones compensatorias: de transición: se deben cumplir en dos estados consecutivos (no suelen mantenerlas los sistemas comerciales) 3. Integridad: integridad semántica Procedimientos de comprobación de la integridad : programación de la comprobación por parte del diseñador se incluyen en el esquema de la base de datos las restricciones complejas en los procedimientos se debe incluir: operaciones que los activan código a ejecutar que incluye operaciones sobre la base de datos acciones de rechazo o compensación en caso de violación 1/03/01 Bases de datos 39 1/03/01 Bases de datos 40
11 3. Integridad: control de accesos concurrentes 3. Integridad: control de accesos concurrentes El SGBD debe controlar los accesos concurrentes de las aplicaciones Pérdida de las actualizaciones Problemas por los accesos concurrentes: pérdida de las actualizaciones obtención de información incoherente de estados válidos de la base de datos lectura de datos actualizados que no han sido confirmados P 1 P 2 lee(r) lee(r) R a 0 b 0 escribir(r(a 1, b 0 )) escribir(r(a 0, b 1 )) tiempo 1/03/01 Bases de datos 41 1/03/01 Bases de datos Integridad: control de accesos concurrentes 3. Integridad: control de accesos concurrentes Obtención de información incoherente P 1 : Obtención del total de saldos P 2 : Transferencia de la cuenta 100 a la 1 P 1 P 2 Cuentas corrientes Lectura de datos actualizados sin confirmar P 1 : Cambia el campo A del registro R P 2 : Lee el campo A del registro R y lo usa P 1 P 2 R a 0 lee(c 1 ) lee(c 2 ) lee(c 50 ) lee(c 100 ) lee(c 51 ) escribir(c 100 -X) lee(c 1 ) escribir(c 1 +X) lee(c 100 ) tiempo Error: excede en X /03/01 Bases de datos 43 lee(r) escribir(r(a 1 )) lee(r) utiliza el valor a 1 anulación tiempo Error: usa un dato inválido 1/03/01 Bases de datos 44
12 Las propiedades de atomicidad y persistencia de una transacción obligan a que el SGBD asegure que: a) si se confirma, los cambios efectuados son grabados en la base de datos y que no se pierden b) si es anulada, los cambios efectuados sobre la base de datos son deshechos Pérdidas de memoria principal Desajuste temporal entre la confirmación de una transacción y la grabación de sus campos en memoria secundaria La transacción está confirmada y sus cambios están en los bloques de los buffers En el intervalo se produce un fallo con pérdida de memoria principal y los bloques de los buffers se pierden 1/03/01 Bases de datos 45 1/03/01 Bases de datos 46 Pérdidas de memoria secundaria Transacción confirmada y cuyos cambios están grabados en la base de datos Fallo en la memoria secundaria y estos cambios se pierden Causas del fallo de un transacción Locales a la transacción (funcionamiento del sistema normal) errores en la transacción (acceso a la base de datos incorrecto, cálculos fallidos, etc.) excepciones (violación de la integridad, de la seguridad, etc.) control de la concurrencia (estado de bloqueo entre dos transacciones) decisiones humanas 1/03/01 Bases de datos 47 1/03/01 Bases de datos 48
13 Causas del fallo de un transacción Externas a la transacción (errores del sistema) fallos del sistema con pérdida de la memoria principal fallos del sistema de almacenamiento con pérdida de la memoria secundaria Reconstrucción frente a fallos del sistema Módulo de reconstrucción Recuperar transacciones confirmadas que no han sido grabadas Anular transacciones que han fallado Técnica más extendida: uso del fichero diario 1/03/01 Bases de datos 49 1/03/01 Bases de datos 50 Actividades sobre el fichero diario Registrar las operaciones de actualización de las transacciones Se almacena en disco para evitar la desaparición por un fallo del sistema Se graba periódicamente a una unidad de almacenamiento masiva Tipos de entradas que se graban en el fichero diario [inicio, T] [escribir, T, X, valor_antes, valor_después] [leer, T, X] [confirmar, T] [anular, T] 1/03/01 Bases de datos 51 1/03/01 Bases de datos 52
14 Fallo de una transacción T Deshacer cambios de T actualizar los datos modificados por T con su valor original (valor_antes) buscar las entradas en el diario [escribir, T, X, valor_antes, valor_después] Fallo del sistema Transacciones sin confirmar [inicio, T] en el diario sin [confirmar, T] Proceso anterior Transacciones confirmadas [confirmar, T] Fallo del sistema Aplicar el proceso anterior a todas las transacciones sin confirmar Volver a ejecutarlas: [escribir, T, X, valor_antes, valor_después] 1/03/01 Bases de datos 53 1/03/01 Bases de datos 54 Puntos de verificación Tamaño del fichero diario puede crecer rápidamente Recuperación en caso de fallo muy costosa (hay que rehacer muchas operaciones) Puntos de verificación Se graban en el diario periódicamente Suspender temporalmente la ejecución de transacciones Grabar en el diario el punto de verificación Forzar la grabación de todas las actualizaciones de las transacciones confirmadas (copiar los buffers a disco) Reanudar la ejecución de las transacciones suspendidas 1/03/01 Bases de datos 55 1/03/01 Bases de datos 56
15 Puntos de verificación Reconstrucción a partir del último Reconstrucción frente a fallos del sistema almacenamiento tiempo Pérdida de memoria secundaria T 1 T2 R Base de datos puede estar dañada total o parcialmente Técnica: reconstruir la base de datos a partir de T 3 T 4 T 5 R A A Recuperar una copia de seguridad más reciente A partir del instante de la copia utilizar el diario para rehacer las operaciones realizadas por las transacciones confirmadas punto de verificación fallo del sistema 1/03/01 Bases de datos 57 1/03/01 Bases de datos Seguridad 4. Seguridad Técnicas: Objetivo: a la información sólo pueden acceder las personas autorizadas y en la forma autorizada Identificación del usuario Determinación de los accesos permitidos lista de autorizaciones (objeto y operaciones permitidas) por usuario niveles de autorización Gestión de autorizaciones transferibles: traspaso de autorizaciones de un usuario a otro 1/03/01 Bases de datos 59 1/03/01 Bases de datos 60
16 4. Seguridad Requerimientos para realizar la gestión de autorizaciones transferibles Conocimiento de las autorizaciones de acceso de cada usuario (cuales son transferibles y cuales no) Transferencia de un autorización de un usuario a otro (en modo transferible o no) Revocación posterior de una autorización de acceso Si se otorgo en modo transferible, revocación de las autorizaciones que partieron de ella Revocación independiente de una autorización de acceso otorgada de forma múltiple 1/03/01 Bases de datos 61
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